采掘工程對斷層面滑移失穩(wěn)影響的模擬研究

郭 銳

(汾西礦業(yè)集團公司 安監(jiān)局,山西 介休 032000)

斷層是斷裂巖層有明顯相對位移的一種重要地質(zhì)構(gòu)造，在有斷層影響的地質(zhì)條件下，采掘工程破壞了斷層圍巖系統(tǒng)原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，從而使斷層發(fā)生滑移，直至穩(wěn)定，達到新的平衡狀態(tài)，即斷層活化。在斷層滑移過程中，圍巖系統(tǒng)釋放大量的能量，引發(fā)震級較高的礦震，這也是斷層沖擊地壓的特點。以河南躍進煤礦為研究對象，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，分析采掘工程對斷層滑移的影響，為煤礦的安全生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值計算模型建立

由于斷層的滑移失穩(wěn)，斷層及圍巖系統(tǒng)釋放所積聚的彈性能，其中一部分能量在巖體裂縫動力擴展中消耗，另一部分則轉(zhuǎn)化為動能，使得斷層兩盤突然卸載而發(fā)生劇烈的震動，這是斷層影響沖擊地壓發(fā)生的一個方面。另一方面，斷層的存在影響了周圍應(yīng)力場的分布形式，導(dǎo)致工作面頂板局部應(yīng)力集中，而積聚的大量彈性能的釋放，則導(dǎo)致巷道頂板及圍巖的破壞。因此，在研究躍進煤礦F16斷層對沖擊地壓發(fā)生的影響時，首先對斷層的滑移失穩(wěn)進行研究，而采掘工程對于F16斷層滑移失穩(wěn)影響則是主要研究內(nèi)容。

采用的數(shù)值模型軟件為Itasca公司的UDEC4.0軟件，是針對非連續(xù)介質(zhì)模型的二維離散元數(shù)值計算程序，主要模擬靜載或動載條件下非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為特征。

1) 建立模型。

根據(jù)躍進煤礦實際地質(zhì)情況建立模型。模型及邊界條件：將模型左右邊界、底部邊界固定，使邊界橫向位移與豎向位移都為“0”，模型上邊界施加17.5 MPa的垂直應(yīng)力，重力加速度設(shè)置為9.8 m/s2。模型范圍：300 m×100 m，斷層傾角45°。煤層頂板至模型上邊界58 m，至模型下邊界42 m，見圖1。

圖1 計算模型示意圖

2) 巖層屬性。

模型中各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 開采對斷層滑移數(shù)值模擬分析

2.1 開采對斷層面應(yīng)力的影響分析

1) F16斷層下盤煤層開采對斷層面應(yīng)力的影響。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)所建立模型，可以通過數(shù)值模擬方法計算得到，當(dāng)位于F16斷層下盤附近的工作面向斷層推進時，工作面距離斷層不同位置所對應(yīng)的斷層面應(yīng)力狀態(tài)，見表2。利用計算所得數(shù)據(jù)，繪制出在回采工作面的擾動下，F(xiàn)16斷層面上剪應(yīng)力與正應(yīng)力比值的時空關(guān)系曲線，見圖2。斷層結(jié)構(gòu)是否發(fā)生滑落失穩(wěn)，取決于斷層剪應(yīng)力和正應(yīng)力的比值。

表2 斷層面應(yīng)力狀態(tài)統(tǒng)計表

圖2 下盤開采對斷層面應(yīng)力狀態(tài)影響的示意圖

從表2及圖2可以看出，當(dāng)工作面與F16斷層之間具有較遠距離時，例如80 m、60 m時，F(xiàn)16斷層面表現(xiàn)出緩慢的應(yīng)力變化，正應(yīng)力的上升速度較為緩慢，應(yīng)力值約為30 MPa，而剪應(yīng)力則在0.1～0.7 MPa變化。當(dāng)工作面分別距離F16斷層40 m、30 m、20 m時，剪應(yīng)力上升變快，而正應(yīng)力上升依舊緩慢，導(dǎo)致兩者的比值急劇增加。因此，在F16斷層附近區(qū)域進行采掘活動時，會引起斷層面剪應(yīng)力上升速度大于斷層面正應(yīng)力的上升速度，容易導(dǎo)致斷層滑移失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

2) F16斷層上盤煤層開采對斷層面應(yīng)力的影響。

利用相同模型，模擬工作面由F16斷層上盤向斷層推進，得到工作面與F16斷層不同距離時斷層面的應(yīng)力狀態(tài)統(tǒng)計與斷層剪應(yīng)力與正應(yīng)力比值的時空關(guān)系變化曲線，見表3，圖3。

表3 斷層面應(yīng)力狀態(tài)統(tǒng)計表

圖3 上盤開采對斷層面應(yīng)力狀態(tài)影響的示意圖

由表3及圖3分析可知，在F16斷層附近的工作面自斷層上盤向斷層推進時，剪應(yīng)力變化趨勢為先減小后增大，而正應(yīng)力變化趨勢為逐漸增大。當(dāng)工作面距離斷層大于30 m時，斷層面剪切應(yīng)力與正應(yīng)力比值緩慢減小，說明此時的斷層面處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。然而當(dāng)工作面自斷層上盤繼續(xù)向斷層推進時，剪應(yīng)力上升趨勢明顯加快，正應(yīng)力變化微弱，斷層剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值隨剪應(yīng)力的變化而變大，此時，斷層容易發(fā)生滑移失穩(wěn)。從數(shù)據(jù)上可以看出，無論工作面是在斷層的下盤或者上盤，回采工作面向斷層面推進都會對斷層面應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響。

2.2 開采對斷層滑移的影響分析

1) F16斷層下盤煤層開采對斷層滑移的影響。

煤層開采是斷層沖擊地壓發(fā)生的直接原因。當(dāng)斷層圍巖系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)時，遠場微小擾動就會打破這種平衡狀態(tài)，導(dǎo)致斷層兩盤發(fā)生相對移動，此時斷層圍巖系統(tǒng)就會處于非穩(wěn)定狀態(tài)，繼而引發(fā)沖擊地壓。通過數(shù)值模擬，可以計算出由于采掘工程而引起的斷層滑移的量值：在斷層兩盤的工作面老頂位置布置兩個相鄰點，即A點與B點，在對不同位置時工作面模型進行應(yīng)力平衡之前，將A、B兩點X、Y方向上的位移置零后，再對模型進行計算，應(yīng)力平衡后提取兩點X、Y方向上的位移，再利用公式(1)對A、B兩點之間距離計算，計算出的值L即為斷層的滑移量：

(1)

工作面向斷層面方向推進，斷層距離工作面不同位置時，監(jiān)測點X、Y方向上的位移及斷層滑移量，見表4，并獲得推進后斷層模型X、Y方向上的位移云圖，可直接觀察到斷層面位移變化情況，見圖4。

表4 斷層滑移量統(tǒng)計表

圖4 下盤煤層開采對斷層滑移影響的示意圖

根據(jù)斷層的滑移量就可得到開采導(dǎo)致的斷層滑移曲線(圖4)。由圖4可以看出，當(dāng)位于F16斷層下盤的工作面向斷層推進，并距離斷層80 m、60 m時，斷層滑移量變化不大。隨著工作面的推進，距離斷層小于60 m時，斷層滑移量逐步增加，且增加幅度變大。工作面距離斷層20 m時的斷層滑移量是60 m時的10倍。斷層滑移量的變化表明，此時斷層的圍巖系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)，很容易發(fā)生斷層沖擊地壓。

2) F16斷層上盤煤層開采對斷層滑移的影響。

研究方法不變，分析工作面位于F16斷層上盤時，斷層滑移量在回采工作面影響下的變化情況。工作面推進不同位置時的滑移量統(tǒng)計見表5，再根據(jù)計算出的斷層滑移量得到斷層滑移曲線，見圖5。

表5 斷層滑移量統(tǒng)計表

工作面向斷層面方向推進，斷層距離工作面不同位置時，監(jiān)測點X、Y方向上的位移及斷層滑移量見表5，并獲得推進后斷層模型X、Y方向上的位移云圖，可直接觀察到斷層面位移變化情況，見圖5。

圖5 上盤煤層開采對斷層滑移量的影響

由圖5可知，距離斷層面相同，工作面在F16下盤開采較上盤開采對F16斷層滑移量的影響更大。無論工作面位于F16斷層上盤還是下盤，斷層滑移量均在工作面與斷層距離為20 m時達到最大值。當(dāng)工作面位于F16斷層上盤向斷層推進時，斷層最大滑移量達到25.73 mm，僅為工作面位于F16斷層下盤時最大滑移量的52.5%。下盤開采較上盤開采更容易發(fā)生斷層沖擊地壓。

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)躍進礦25采區(qū)工作面在下盤開采時，距離F16斷層60～80 m位置期間，斷層滑移量變化平穩(wěn)，維持在4.5～5 mm，而距離斷層20～60 m期間，斷層滑移量變化較大。當(dāng)工作面在上盤開采時，距離F16斷層40～80 m位置期間，斷層滑移量變化平穩(wěn)，維持在4.6～4.8 mm，而距離F16斷層20～40 m期間，斷層滑移量變化較大。無論從下盤或上盤向斷層開采，在距離F16斷層20 m時，斷層滑移量達到最大值。

2) 當(dāng)該礦25采區(qū)工作面在下盤開采時，距F16斷層60 m位置，斷層面剪切應(yīng)力與主應(yīng)力比值上升幅度開始增加，說明工作面開采到此位置時，采掘工程對斷層面的應(yīng)力環(huán)境的影響變大。而工作面在上盤開采時，距F16斷層30 m位置，剪切應(yīng)力與正應(yīng)力的比值才發(fā)生如此變化，說明下盤開采更容易改變斷層面的應(yīng)力狀態(tài)。

3) 當(dāng)該礦25采區(qū)工作面在F16斷層上盤向斷層開采時，與斷層面相同距離，下盤開采較上盤開采對斷層滑移量的影響更大。當(dāng)工作面位于F16斷層上盤開采時，斷層最大滑移量達到25.73 mm，僅為下盤開采時最大滑移量的52.5%，下盤開采較上盤開采更容易發(fā)生斷層沖擊地壓。

參 考 文 獻

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